Fenomén jménem histogram

Histogram je často neprávem opomíjený pomocník při fotografování a úpravě fotek. A to proto, že se mnoha lidem může zdát jeho použití složité. Opak je pravdou. V tomto článku si krok za krokem ukážeme, jak histogram funguje a jak souvisí s dynamickým rozsahem. Vysvětlíme si, jak z něj snadno vyčíst důležité informace a jak jej v praxi používat. To vše na ukázkových fotografiích.

Histogram se vyplatí používat - o tom není žádných pochyb. Díky histogramu můžete znatelně pozvednout kvalitu svých fotografií. A přitom je jeho použití tak snadné... A ještě než se vrhneme na histogram samotný, povíme si něco málo nudné nutné teorie pro snazší pochopení možností, které nám histogram nabízí.

Něco málo o barvách a jasech úvodem

Digitální fotografie se skládá z určitého počtu obrazových bodů, pixelů. Pokud má fotografie rozlišení třeba 10MPix, tak to znamená, že se skládá z 10 milionů obrazových bodů, pixelů. To je vcelku jasné a jednoduché. Nyní ale vzniká otázka, jakým způsobem se zaznamená barva každého tohoto pixelu?

Každý samostatný pixel je v barevném prostoru RGB (Red = červená, Green = zelená, Blue = modrá) reprezentován třemi čísly, od 0 do 255 (tj. včetně nuly 256 hodnot). Tato tři čísla ukazují na zastoupení každého barevného odstínu ve výsledném "mixu". Například jeden pixel bude zaznamenán jako R=34, G=157, B=88. Taková barva odpovídá barvě písma, kterým je napsána tato věta. Lze si to představit tak, že mícháte tři odstíny barvy do jedné plechovky. Při hodnotách červená=34, zelená=157, modrá=88, je největší podíl zelené - a proto vznikne nazelenalá barva.

Dáte-li všech tří barev stejný podíl, vznikne neutrální šedá. Budou-li mít všechna čísla nulu, bude to barva černá. Při hodnotách 255 to bude naopak bílá. Z toho všeho vyplývá, že do klasické JPEG fotografie lze zaznamenat 256 * 256 * 256 barev, což se rovná 16 777 216 odstínů barev (včetně bílé a černé).

Nyní už je jasné, jak se pomocí tří čísel dá zaznamenat barevný odstín. A tak můžeme přistoupit k samotnému histogramu.

Histogram je když...

RGB histogram

Histogram je graf četnosti. Ve fotografické praxi histogram vizuálně ukazuje, jak jsou ve snímku zastoupeny jednotlivé barevné odstíny v rozmezí 0 - 255 (viz výše). Vlevo na ose X jsou vždy tmavé odstíny (zcela vlevo černá, zastoupená nulou), zatímco vpravo na ose X jsou světlé odstíny (zcela vpravo je bílá, zastoupená hodnotou 255). Na svislé ose Y je potom poměrné množství. Jeden obrázek vydá za tisíce slov, a tak si to ukážeme na praktických příkladech.

Výše uvedená fotografie a tři RGB histogramy (pro červený, zelený a modrý kanál) ukazující množství jednotlivých barevných odstínů. Zcela vlevo je histogram pro červený barevný kanál - ukazuje velké množství tmavších červených odstínů (to jsou skalní štíty) a malé množství světle červených odstínů (ty ani na fotografii není kde hledat). Uprostřed je histogram pro zelený kanál - ten ukazuje velké množství středně zelených odstínů (to je tráva na ostrově) a malé množství tmavě a světle zelené. A zcela vpravo je histogram pro modrý barevný kanál, kde lze odečíst velké množství středně modré až světle modré (voda a obloha), zatímco tmavě modrá není přítomna.

Všechny tři histogramy tudíž jednotlivě poukazují na to, v jakém množství jsou jednotlivé barevné odstíny ve fotografii zastoupeny.

Histogram jasů a stínů

Nyní by už mělo být jasné, co to histogram je, jak vypadá a co znázorňuje. Ve fotografické praxi se ale častěji, než jednotlivé barevné histogramy, používá histogram odstínů šedi. Je totiž snazší a rychlejší z jednoho takové histogramu v terénu vyčíst důležité informace (jaké, to si povíme později).

Jasový histogram vytvoří fotoaparát (nebo třeba grafický editor) tak, že sečte jednotlivé RGB histogramy do jednoho grafu. Ovšem není to součet prostý, nýbrž poměrový. Lidské oko je nejcitlivější na zelenou barvu, druhá v pořadí je červená a poslední je modrá. Z toho důvodu se při sčítání jednotlivých RGB histogramů nepoužívají 1/3 přepočty, ale následující koeficienty. Zelená 0.59, červená 0.3 a modrá 0.11 (dohromady tyto koeficienty dávají logicky číslo 1).

Níže je znázorněný způsob součtu jednotlivých RGB histogramů do jednoho jasového histogramu:

Na tomto příkladu je hezky vidět, jak histogram pro modrý barevný kanál nemá takovou váhu. Ačkoliv dosahuje histogram modrého kanálu zhruba uprostřed vrcholu, ve výsledném jednom sečteném histogramu se tento vrchol příliš neprojevil.

Dynamický rozsah

Odběhněme nyní na chvíli od tématiky histogramu a povězme si něco málo o dynamickém rozsahu. Každá fotografovaná scéna má určitý dynamický rozsah, což je ve fotografickém oboru podíl mezi nejsvětlejší a nejtmavší oblastí v záběru. Pokud bychom fotografovali například černou kočku za slunného dne na sněhu, byl by dynamický rozsah extrémně velký - od bílé až po černou. Naopak budeme-li fotit mlhavé údolí před východem Slunce, bude pravděpodobně dynamický rozsah této scény docela malý.

Dynamický rozsah lidského oka je "na jedno mrknutí", tj. bez adaptace na tmu či světlo, 11 až 15 EV. Tématikou Exposure Value, tedy EV, jsme se zabývali v článku EV, neboli expoziční hodnota tajemství zbavená. Jenže dynamický rozsah, který je schopen zaznamenat snímač digitální zrcadlovky, je menší - nepřesáhne 10EV.

To znamená, že budeme-li fotografovat nějakou velmi kontrastní scénu s vysokým dynamickým rozsahem, nemusí rozsah snímače fotoaparátu stačit. Tím pádem dojde k tomu, že snímač nebude schopen zaznamenat veškeré stíny a jasy, které se na scéně vyskytují.

Dynamické rozsahy a histogramy

Nyní už víme, že jasový histogram ukazuje množství jednotlivých odstínů šedi na snímku, od bílé až po černou. Také už víme, že existuje něco jako dynamický rozsah fotografované scény a dynamický rozsah, který je schopen zaznamenat snímač. Co se stane, pokud tyto dva dynamické rozsahy budou stejné nebo se budou lišit?

První ukázka výše: dynamický rozsah fotografované scény a snímače fotoaparátu byly stejné. Pozná se to tak, že histogram se nedotýká levé ani pravé "stěny", tj. že v odstínu černé ani bílé nedosahuje vysokých hodnot. Díky tomu fotoaparát mohl zaznamenat veškeré odstíny, které byly na scéně při focení přítomné.

Další ukázka (výše): dynamický rozsah fotografované scény byl podstatně větší, než rozsah snímače fotoaparátu. Kontrast mezi tmavými a bílými částmi v záběru byl příliš velký. Pozná se to tak, že histogram dotýká levé i pravé "stěny" - histogram by "chtěl pokračovat" vlevo i vpravo, ale omezený rozsah snímače mu to nedovolil. Fotoaparát tak nemohl zaznamenat veškeré odstíny, které byly na scéně při focení přítomné. Vznikly přeexpozice a podexpozice (vysvětlíme si níže).

Třetí ukázka (výše): dynamický rozsah fotografované scény byl menší, než rozsah snímače fotoaparátu. Jinak řečeno, kontrast byl na nízké úrovni. Pozná se to tak, že histogram vůbec nedosahuje na bílé ani černé odstíny, má rezervu vlevo i vpravo. Fotoaparát tak mohl i s rezervou zaznamenat veškeré odstíny, které byly na scéně při focení přítomné.

Přeexpozice, podexpozice a technická kvalita

Na výše uvedených ukázkových fotografiích a jejich histogramech je názorně vidět, co se v praxi může stát. Pokud je dynamický rozsah (kontrast) fotografované scény větší, než dynamický rozsah snímače fotoaparátu, vzniknou přeexpozice (tzv. přepaly) a podexpozice. To jsou taková místa na fotografii, která neobsahují žádnou kresbu - jsou to jednolité plochy bez jakýchkoliv detailů. Ať budeme takovou fotografii upravovat jakkoliv, zůstanou na ní tyto jednolité plochy bez kresby. Museli bychom tam leda nějakou strukturu ručně dokreslit, což je nereálné.

Proto jsou fotografie obsahující přeexpozice a podexpozice považovány za technicky nekvalitní či nedokonalé. Záleží samozřejmě na přístupu každého fotografa, na jeho uměleckém smýšlení. Nicméně pokud hraje roli hlavně technická kvalita (např. produktová fotografie, krajina, studiové portréty, ...), jsou přeexpozice a podexpozice považovány za hrubou chybu.

Proč používat histogram

Pokud jste dočetli až sem a přelouskali veškerý předchozí materiál, blahopřeji. Nyní jste se dostali k jádru věci. Histogram totiž dokáže snadno a rychle poukázat na přeexpozice a podexpozice ve fotografii. Jak se to pozná? Jako na výše uvedených ukázkách. Pokud je histogram "nalepený" na levé nebo pravé vymezující části (zdi), potom fotografie obsahuje přeexpozice a podexpozice. V praxi takový histogram vypadá jako zprava a zleva oříznutý. Pokud je "oříznutý" pouze vlevo, fotografie obsahuje podexponované části. Naopak pokud je histogram oříznutý zprava, fotografie obsahuje přeexponované části (přepaly).

Proč nestačí pohled na náhled na LCD displeji fotoaparátu? Protože ten může být velmi zavádějící - jinak bude vypadat náhled na displeji pod slunečním svitem a jinak v tmavé místnosti. Histogram nikdy nelže a je zcela objektivní. Oproti tomu pohled na fotografii zmenšenou na malém LCD displeji fotoaparátu může být často velmi zavádějící. Proto pokud chcete mít jistotu, že vaše fotografie jsou technicky kvalitní, prohlédněte si vždy po vytvoření fotografie její histogram. Zobrazit histogram umí všechny digitální zrcadlovky a drtivá většina pokročilých digitálních kompaktních fotoaparátů.

Možná si říkáte, proč není tato jednoduchá poučka napsána hned v úvodu článku? Odpověď je jednoduchá - sice by čtenáři ihned věděli, jak v praxi odhalit přeexpozici a podexpozici, ale nikdo by netušil, proč to vlastně dělá a jaký je princip samotného histogramu.

Histogram a umělecká kvalita

Jakkoliv je histogram mocným nástrojem při fotografování, má jedno omezení. Poukazuje pouze na technickou kvalitu snímků, nikoliv uměleckou. Je to logické - nelze chtít po stroji, aby ohodnotil umělecký záměr fotografa. Proto ani neexistují "doporučené" tvary histogramů - to je nesmysl. Každá fotografie je individuální a nelze fotit tak, abychom dosáhli nějakého tvaru histogramu. Histogram nehodnotí fotografii z hlediska umělecké kvality, ale technické kvality.

Pár tipů pro použití histogramu v praxi

Novější digitální fotoaparáty umí zobrazit nejen klasický jasový histogram. Dokáží na LCD displeji zobrazit náhled fotografie se zvýrazněnými přepaly a podexpozicemi. Tento způsob zobrazení je velmi užitečný proto, že ukazuje, kde přesně na snímku se kritická místa nacházejí. To nám obyčejný histogram zprostředkovat nedokáže.

Pokud fotografujete s digitální zrcadlovkou na režim živého náhledu nebo používáte kompaktní fotoaparát, potom můžete využít takzvaného živého histogramu. Pokročilejší fotoaparáty a všechny zrcadlovky s živým náhledem umí zobrazit histogram již při fotografování - graf je vyobrazen na LCD displeji a mění se v reálném čase podle toho, co fotografujeme a jaké nastavení použijeme. Díky živému histogramu lze přepal nejen odhalit, ale rovnou mu i předejít.

RGB histogramy

Jak již bylo napsáno a vysvětleno v úvodní části tohoto článku, fotoaparáty a grafické editory dokáží vyobrazit jak jasové, tak RGB histogramy. A také je již jasné to, že může dojít k přepalu v samostatném jednom barevném kanálu (například v zeleném). Výsledkem bude zelená jednolitá plocha na fotografii.

Nejpoužívanější je jasový histogram, protože je snazší a rychlejší z něj užitečné informace vyčíst.

Ovšem při používání jasového histogramu může dojít k velmi ošemetné situaci. Pokud vyfotíme něco jasně barevného, například květinu, může dojít k přepalu pouze v červeném barevném kanálu. Ostatní barevné kanály budou v pořádku, protože na snímku je vysoce kontrastní pouze červená květina. Vzhledem k tomu, že RGB histogramy se do jasového histogramu nesčítají v rovnocenném poměru, nemusí být přepal v červeném kanálu vždy vidět na jasovém histogramu. Je to situace spíše výjimečná, ale nastat může a je dobré o tom vědět.

Co s tím? Pokud chcete mít 100% jistotu, doporučuji prohlédnotu nejen jasový histogram, ale i všechny tři RGB histogramy.

Má smysl řešit histogram při focení do RAWu?

Velmi zajímavou otázkou je, jestli je potřeba řešit histogram při fotografování do RAWu. O focení do RAWu pojednává článek Focení do RAWu z pohledu běžného fotografa.

Jelikož ani RAW soubory nenabízejí neomezenou flexibilitu při expozičních úpravách, rozhodně se vyplatí kontrolovat histogram i při snímání do RAWu. Spoléhat se na to, že "se to v RAW konvertoru dožene", je docela nebezpečné. Rozsáhlé přepaly totiž nezachrání ani RAW konvertor. Proto vřele doporučuji kontrolovat histogram i při focení do RAWu - s tím, že případné velmi malé přepaly či podexpozice na pozadí mohou být ponechány a dořeší se v konvertoru.

Shrnutí a závěr

Histogram je bez přehánění báječný fotografický nástroj. Je to neúplatný pomocník, který dokáže zcela jasně odhalit technické nedostatky na fotografii. Navíc se jedná o nástroj, který bourá jazykové bariéry - můžete zkoumat histogramy zahraničních fotografů bez znalosti cizích jazyků.

Histogram sám o sobě sice neumí ukázat, kde se tyto nedostatky nachází, ale o to se už může postarat náhled na displeji se zvýrazněním těchto partií. Histogram nedokáže ohodnotit snímek z hlediska umělecké kvality, ale to je dobře - kdyby to uměl, tak by všichni fotili zcela stejně a umělecké podání by ztratilo na individualitě.

Nyní si shrneme vztah dynamických rozsahů, histogramu a technické kvality fotografií.

1. Optimální podoba histogramu - nepřesahuje vlevo ani vpravo, dynamický rozsah fotografované scény byl shodný s rozsahem snímače fotoaparátu. Není třeba dalších úprav.

2. Takový histogram poukazuje na podexpozici na fotografii (černá místa bez kresby). Řešením by bylo kompenzovat expozici do kladných hodnot, aby byl snímek celkově světlejší. Na světlých tónech je rezerva, takže by k přepalu nedošlo.

3. Tento histogram poukazuje na přeexpozici na fotografii (bílá místa bez kresby). Řešení je opačné jako u předchozího případu - kompenzovat expozici do záporných hodnot. K podexpozici nedojde, protože je tam rezerva.

4. Tento histogram poukazuje na malý dynamický rozsah scény (např. mlhavé údolí bez kontrastu). Snímek je vyfotografovaný dobře. V případě potřeby bude možné přidat kontrast v editoru.

5. Tento histogram poukazuje na přítomnost jak podexpozice, tak přeexpozice. Jedná se o beznadějný případ, kdy je kontrast fotografované scény příliš velký a v podstatě to nelze nijak řešit. Leda šedým přechodovým filtrem, který například ztmaví bílou přesvícenou oblohu.

Jak vidíte, použití histogramu v praxi je velmi snadné (jak bylo na začátku článku uvedeno). Celý tento článek může na první pohled vyznít trochu těžkopádně a zbytečně komplikovaně. Stačilo přeci napsat jenom pár odstavců týkající se použití a fungování histogramu v praxi. To by ale vedlo pouze k mechanickému používání histogramu aniž by člověk věděl, proč tak činí. Díky uvedení  nutných základů z celé problematiky (věřte, že to jsou opravdu pouhé základy, na hlubší úrovni by toho bylo daleko víc) má tento článek potenciál nejen naučit, ale i vysvětlit - jak a proč histogram používat.

V příštím pokračování tohoto článku se budeme zabývat úpravami fotografií v editoru. A to opět s pomocí velmi užitečného histogramu. Máte-li k článku komentáře či připomínky, podělte se o ně s dalšími čtenáři v komentářích níže.